一种贮能消磁电源的储能电容和滤波电感、电容选定方法

一种贮能消磁电源的储能电容和滤波电感、电容选定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于舰艇消磁领域，特别涉及一种贮能消磁电源的储能电容和滤波电感、 电容选定方法。
【背景技术】
[0002] 地球是一个巨大的磁体，而钢铁是易被磁化的材料，钢铁建造的舰船或潜艇长期 处于地球的磁场中、其就会被磁化。只要舰艇航行在海洋上，被磁化的舰艇就必然要产生磁 场，如果不消除这个磁场，被磁化的舰艇很容易受到磁性水雷、鱼雷等武器攻击，或是成为 磁性探测设备的目标。舰艇本身有两个磁场，一个是感应磁场，这一磁场靠舰艇上自消磁系 统抵消；另一个是固定磁场，这一磁场则要靠消磁站或消磁船定期对其进行通电消除。
[0003] 在舰船上安装消磁系统是舰船磁性防护的最有效手段。目的是预防敌方磁性武器 攻击和磁性探测提高舰船的生命力，舰船消磁系统主要由舰内消磁绕组、消磁控制设备和 消磁电源部分组成。消磁电源是消磁设备的功率放大装置，它按控制器输出的控制信号向 舰船消磁绕组提供直流可控电流，是消磁设备的重要组成部分。消磁电源一般都用在军队 的舰船、潜艇上，必须具有极高的可靠性，特别是在战时。在依靠超级电容贮能和电站供电 的消磁电源中，有两个能量源向脉冲放电提供能量，一个是电站，一个是超级电容。脉冲放 电能量总和是不变的，增加超级电容容量，就可以降低电站的功率；反之增大电站容量就可 以降低超级电容的容量。必须对电站的功率和超级电容的组数进行合理的设计，使电站和 超级电容容量得到极佳的匹配，减小消磁电源启动时对电网的冲击，同时必须保证消磁电 源极高的可靠性、冗余性。
[0004] 针对以上对消磁电源的性能要求，提出一种能够保证消磁电源具备极高冗余可靠 性的储能电容容量及滤波电感、电容的选定方法甚为必要。

【发明内容】

[0005] 技术问题：本发明提供一种能够根据不同的消磁电源脉冲参数要求，得到与前级 电站功率相匹配的储能电容容量，以及满足各个脉冲放电的要求的后级变换器滤波电感、 电容选定方法。该方法设计了采用多重冗余机制的电容模组放电方案，不仅使得总滤波电 感量降低，更重要的是极大地提高了消磁电源的可靠性，更符合军工需求。
[0006] 技术方案：本发明方法针对的贮能消磁电源由整流器、充电控制器、储能超级电 容、后级恒流变换器、电流换向装置、系统监控器组成；整流器、充电控制器、储能超级电容、 后级恒流变换器、电流换向装置顺序串接，系统监控器通过通信线与充电控制器、储能超级 电容、后级恒流变换器、电流换向装置通信；消磁电源系统接受交流电站的交流电能量，经 过整流、储能、变换、换向等环节后，为负载提供正负交替、逐步衰减的间歇脉冲电流。
[0007] 本发明的贮能消磁电源的储能电容和滤波电感、电容选定方法，包括如下步骤：
[0008] (1)计算贮能消磁电源第1个脉冲到第i个脉冲的累积能量Ep具体方式为：[0009]根据公式Ii=hX(l-kAI)H计算指数衰减方式下第i个脉冲的理论放电电流仁， 或根据公式Ii=I「(i-l)XAI计算等差衰减方式下第i个脉冲的理论放电电流Ii;
[0010] 根据公式Ui=IiXRJ十算第i个脉冲的理论放电电压Ui，根据公式Pi=UiX以十 算第i个脉冲的理论放电功率Pi，根据公式Qi=PiXTm计算第i个脉冲的理论能量Qi，按 照公式€ = 计算从第1个脉冲到第i个脉冲的累积能量Ei;
[0011] 其中，i为脉冲序号，取值范围1~Npulse，Npulse为脉冲总数，Ii为首脉冲理论放电 电流，kAI为脉冲电流指数衰减系数，△I为电流等差衰减公差，为负载电阻，T"为单个脉 冲放电时间，即脉冲宽度，j同为脉冲序号，取值范围1~i;
[0012] (2)确定储能电容模组的额定电压以及电容单体串联个数，具体方式为：
[0013] 根据公式(UAu)X心计算后级变换器采用降压方式 时第i个脉冲允许的储能电容模组放电最小电压Uic;_b_min，或根据公式Uic;_b_b_min= [(l-db_b_MX) + Au]Xk#算后级变换器采用升降压方式时第i个脉冲允许的储 能电容模组放电最小电压 Ujx-b-b-min，
[0014] 按照以下方式确定单个储能电容模组的额定电压Ue_N:根据公式Ue_N_b = 仏。+^乂1(*__计算后级变换器采用降压方式时单个储能电容模组的额定电压1_1^，或根 据公式Urf_b_b=Ulc;_b_b_minXKsafe_u_b_b计算后级变换器采用升降压方式时单个储能电容模组 的额定电压11。^，或直接取额定电压11。^=U
[0015] 根据公式N' seriesUc-n,Uc-single>^。__^。"^计算单个储能电容模组的电容单体 串联个数N' _ies，如果N' _^不是整数，则对其向正无穷大方向作取整修正，得到修正后 的储能电容单体串联个数Ns_s;
[0016] 其中，dbuc;k_maxS降压方式下开关管的最大占空比，db_b_max为升降压方式下开关管的 最大占空比，Au为变换器输入输出电压差补偿，kK为储能电容内阻和输电铜排压降系数， Ulc;+min为后级变换器采用降压方式时首个脉冲允许的储能电容模组放电最小电压，Ksaft_u_b 为后级变换器采用降压方式时储能电容模组额定电压安全系数，Ulc;_b_b_min为后级变换器采 用升降压方式时首个脉冲允许的储能电容模组放电最小电压，Ksafe_u_b_b为后级变换器采用 升降压方式时储能电容模组额定电压安全系数，为单个储能电容模组的额定电压，即 为U。__或U。__，为储能电容单体串联电压不均匀系数，U。__16为储能电 容单体耐压值；
[0017] (3)初步计算与电站供电功率匹配的储能电容容量值c'sum，具体方式为：
[0018] 根据公式=Q1-18_。11__计算储能电容模组需要给首脉冲供给的能量 WmffOT，再根据公式
涉计算出与电站供电功率P#id相匹 配的储能电容容量值c' sum;
[0019] 其中，仏。_为首脉冲允许的储能电容模组放电最小电压，n。^!为储能电容模组 对负载放电的效率，Qi为首脉冲理论能量，Wg"x为电站在脉冲放电期间内给脉冲供给的 取大目匕里，由A式Wg-Qn-maxPgridXTQnXr[ 确疋，n^^为电站经前级充电控制器和后 级恒流变换器给负载供能的效率；
[0020] (4)对所述步骤（3)初步算得的储能电容容量值c'sum进行校验修正，并确定储 能电容模组总数凡__;
[0021] (5)对储能电容模组总数1_进行修正并分组，具体方式为：
[0022] 依据消磁电源采用后级变换器的路数N_V6rtJfN。__组储能电容模组一共分成 N_verter组，每组包含Nparallel=Nc_sum/N_vertel^ii储成电谷|旲组，Nparallel应该是大于1的正整 数，且各路后级变换器配置的储能电容模组数要一致，如果NpaMllel不满足上述两个要求，则 对储能电容单体容量csingle按照下式进行修正后，返回步骤（4) :csingle;= ，其 中ke_single为储能电容单体容量修正系数；
[0023] 如果NpaMllel满足上述两个要求，则由\_1161组储能电容模组电气并联成电容容量 为csingl?dule=NparallelXCsingiyN_ies、额定电压为1的单个储能电容工作组，然后对得到 的所有单个储能电容工作组进行分组；
[0024] (6)进行脉冲放电过程设计，具体方式为：
[0025] 当第i个脉冲的理论放电电流L大于I力时，N_vertOT个正常工作组全部参与放 电；
[0026] 当第i个脉冲的理论放电电流L大于I/4而小于1/2时，由包含N_vertOT/2个储 能电容工作组的大组进行放电；
[0027] 当第i个脉冲的理论放电电流L大于I/8而小于1/4时，由包含N_TCrtOT/4个储 能电容工作组的小组进行放电；
[0028] 当第i个脉冲的理论放电电流L小于I/8时，由单个储能电容工作组进行放 电，此时，如果给第i个脉冲供电的所有储能电容工作组能够释放的最大能量大于从第i 个到最后一个脉冲的脉冲能量之和，则电站就不再向储能电容和负载提供任何能量，其中 i〈Npulse;
[0029] (7)进行脉冲放电过程计算，具体方式为：
[0030] 根据公S=计算第i个脉冲放电之后单个储能电容工
作组储存的能量QhftOT，根据公式
i第i个脉冲放电之后单个储能电 容工作组的电压Ui_aftOT，根据公式Q 计算第i个脉冲放电之前单个 储能电容工作组储存的能量，如果大于单个储能电容工作组的最大存储能量Qm?x，则根据％ -beforeQc-one-max修正Qi-before?
[0031] 根据公式1
计算第i个脉冲放电之前单个储能电容工作组的电 压，对于首脉冲放电之前的电压按公式Ui_befOTe=Ue_N计算，首个脉冲放电之 前的单个储能电容工作组储存的能量按公式Q 1-beforeQc-one-max取值，根据公式 Mi计算第i个脉冲放电时单路后级变换器流过的电流；
[0032]其中，Qi_befOTe为第i个脉冲放电之前单个储能电容工作组储存的能量，]\^为 第i个脉冲放电时参与供能的储能电容工作组组数，Mi取值为N_VOTte、N_VOTte/2、 N_VOTtCT/4或1，为电站在脉冲放电间隔时间内给单个储能电容工作组提供的能 量，当正常组放电且 Qi-c-M^c-load彡KQX〇卜-_时W8_。"_"6取0,其它情况下由公 工〔Wg-0ff-onePgridxTf+N_vertOTXMiXnp算得，Q为第i个脉冲时Mi个储能电容 工作组能够释放的最大能量，由公式I-A/=a5xcsingl?。#x )算得， Qimrfast为从第i个脉冲到最后一个脉冲所有脉冲能量之和，i彡Npulse，心为储能电 容独立放电安全系数，WgufM为电站在脉冲放电时间内供给脉冲的能量，同样的，在正 常组放电且Q i-c-MXUc-load$KgXQi-sum-baek-iast时Wg-Qn-0，其他b况下取Wg-Qn-Qffer PgridXT〇n.Nc〇nverterXMiXr[i0a(j，Qc-0ne-max由A式Qc-one-max 1 2XCsingie-m0duieXUc- n算丫守？ 为最后一个脉冲允许的储能电容模组放电最小电压；
[0033] (8)根据脉冲放电过程计算结果求取滤波电感与滤波电容值。
[0034] 进一步的，步骤（4)的具体内容为：
[0035] a)从首个脉冲开始，将电站在脉冲放电间隔内能够提供的最大能量和脉冲放电 期间内能够提供的最大能量之和W8_。"__+18_"__￡与各个脉冲的理论能量1比 较，直到大于或等于第i个脉冲的理论能量Qi为止，继而得到对c' _校验的每 个循环需要进行校验的脉冲个数i-1 ;
[0036] b)将一个容量为c' _、额定电压为U。，的储能电容作为消磁电源的储能模组，并 对这个模组进行逐步放电计算；
[0037] c)对此储能模组每次放电后电压是否满足大于或等于步骤（2)中计算得 到的脉冲允许的储能电容模组放电最小电压进行校验，如果不满足，则按照c' _ = c'咖><(1+1(。"__)修正c'SUffl后，返回步骤b)，直到本轮校验中前Neheek个脉冲所 允许的储能电容模组放电最小电压均小于或等于储能模组的放电后电压为止，并进入步骤 d)；
[0038] d)根据公式N'=(NseiMSXrsum) /csingle计算出储能电容模组总数初 值N'，将N'。__乘以KsafM_N并取整，便得到与电站功率P#id匹配的考虑一定安 全冗余的储能电容模组总数凡__，继而得到考虑一定安全冗余的储能电容容量Csum = ^c-sum^^single' ^series*
[0039] 其中，为电站在脉冲放电间隔内供给储能电容模组的最大能量，由公式 ng-。确定，！\"为脉冲放电间隔时间，ng-。为电站经前级充电控制器 向储能电容模组充电的效率，心___。_。_为需要的储能电容容量修正系数，(^_为初步选 定的储能电容单体容量，Ksafa_N为储能电容模组数安全冗余系数，其值大于1。
[0040] 进一步的，步骤（5)中按照如下方法对得到的所有单个储能电容工作组进行分 组：将N_VOTte个储能电容工作组全部视为正常工作组，N_vertCT个正常工作组平均分成两 个大组，每个大组有N__to/2个储能电容工作组，再将一个大组均分成两个小组，每个小 组有N_V6rtCT/4个储能电容工作组，再将每个小组分成N_V6rtOT/4个最小组，最小组即为单 个储能电容工作组。
[0041] 进一步的，步骤（8)中，后级变换器不采用交错并联电路，按照如下方式求取滤 波电感与滤波电容值：
[0042] 根据公式
计算出后级变换器采用降压方 式下第i个脉冲放电时满足电感电流连续的最小滤波电感或根据公式 CN104882949AIXm-fJ 5/15 页
计算出后级变换器采用升降压方式下第i个脉冲放电 时满足电感电流连续的最小滤波电感
[0043] 对数组[Lnvb。L2_lvb。gggLNpulse_lvb。]取最大值得到正常工作组对应的电感值 Lnmial，将降压方式时的最小电感LnOTal代入公i
_求得后 级变换器梁用降压方式时滿足各脉冲电压波动为八仏要求的最小滤波电容值，或 根S
求得后级变换器采用升降压方式时的最小滤波电容值 Citb-b，对数组LCnvb〇C2_Lvb〇gggCNpulsrtvb。]取最大值得到正常工作组对应的滤波电容值 ^normal?
[0044] 其中，为第i个脉冲放电时后级变换器的最大输入电压，U由公式 Uiimax=U求得，UHn_min为第i个脉冲放电时后级变换器的最小输入电压，U 由公式求得，Ts后级变换器的开关周期，h为电感安全冗余系数， AUhipple为第i个脉冲理论放电电压允许的电压波动值，由公式AUi_Hpple=KAUXUi算得， 数组[Lnvb。L2_^。gggLNpulsrtvb。]满足所有工作组电感电流连续的最小滤波电感数组，即
[Ll-Lvbo-buck Lg-Lvbo-buckgggLNpulse-Lvb0-buck][L]_-Lvbo-b-bk-Lvbo-b-bgggLNp ulse-Lvbo-b-b]，数组[C 1-Lvbo c2-Lvb。ggg cNpulse_Lvb。]满足所有工作组电压波动要求的最小滤波电容数组，即[Ci-g-b ?2-Lvbo-bgggCNpulse-Lvbo-b]或[。1-Lvbo-b-b。2-Lvb0-b~bgggCNpulse-Lvb0-b-b-l °
[0045] 进一步的，步骤（8)中，后级变换器采用NintOT_paMllel路交错并联的buck电路或 Nint^^allel路交错并联的buck-boost电路时，按照如下方式求取滤波电感与滤波电容值：
[0046] 首先按照如下方式初步求取滤波电感值和滤波电容：
[0047]根据公式
计算出后级变换器采用降压方 式下第i个脉冲放电时满足电感电流连续的最小滤波电感或根据公式
i计算出后级变换器采用升降压方式下第i个脉冲放电时 满足电感电流连续的最小滤波电感
[0048] 对数组[Um。L2_lvb。gggL^vb。]取最大值得到正常工作组对应的电感 值LnOTal，对数组[Lrtvb。Lx+1+b。gggLNpulsrtvb。]取最大值得到小电流特殊组对应的 电感值L_al，将降压方式时的最小电感Lmin=L_31或Lmin=L_ial分别代入公式
求得后级变换器采用降压方式时满足各脉冲电压波动为A仏 要求的最小滤波电容值，或根据
i求得后级变换器采用 升降压方式时的最小滤波电容值CHV_b_b;
[0049] 对数组[Cnvb。C2_lvb。ggg(；+?]取最大值得到正常工作组对应的滤波电容值 C_al，对数组[Crfvb。Cx+1_bb。gggCNpulsrtvb。]取最大值得到小电流特殊组对应的滤波电容值 ?special;
[0050] 然后按照如下方式修正滤波电感值和滤波电容：
[0051] 根据下式对上述方式中求得的滤波电感值进行修正：
[0052] L normal L normai/N inter-parallel ^ -^-paral 1 el~L^^ L special ^ special^ \j2 XK ? A inter-parallel八IYparallel-lJ
[0053] 对于后级变换器采用降压式时，按下面方式修正滤波电容：将修正后的滤波电感 值Lmin=L' ^^带入公式
S新求取正常工作组对应的滤波电 容值CnOTal和小电流特殊组对应的滤波电容值Csrrecdal;
[0054] 对于后级变换器采用升降压式，按下面方式修正滤波电容：
[0055]Cnormal ^ normal/^ inter-parallel ^ ^parallel-C
[0056]Cspecial ^ special/^ inter-parallel ^ ^parallel-C?
[0057]其中，KpaMlld为变换器采用交错并联方式时电感的安全系数，KpaMllel_。为升降压 式后级变换器采用交错并联方式时电容的冗余系数。
[0058] 有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0059] 本发明在进行超级电容组数确定时考虑了一定的安全冗余，在进行超级电容模组 放电方案设计时，每个放电阶段都包含冗余机制，正常放电组之间的互相备用冗余，后级变 换器内部同样也加入了冗余机制，即Nim"_paMllel+l路并联冗余机制，进一步将消磁电源的 可靠性提高，相当于每个变换器电路有冗余，总输出电路又有冗余，可靠性很高。理论上多 相多重斩波电路输出总电流的最大脉动率（脉动幅值与平均值之比）与相数平方成反比， 并且脉动频率提高，因此，当控制输出电流最大脉动率一定时，多相多重斩波电路所需要的 平波电抗器电感量比单个单元斩波电路大为减小。每路降压电路或升降压电路承担的平均 电流较小，开关器件容易选择，开关频率相应提高，可以进一步降低滤波电感量的要求。
【附图说明】
[0060] 图1为本发明所述的消磁电源系统逻辑框图；
[0061] 图2为本发明所述的消磁电源系统方案；
[0062] 图3为本发明的程序流程图；
[0063] 图4为本发明计算与电站供电功率匹配的储能电容容量值时的放电原理图；
[0064] 图5为本发明进行电容模组分组示意图；
[0065]图6为本发明所述的消磁电源典型输出电流波形；
[0066]图7为本发明所述的需求电站供电功率与电容组数关系图；
[0067]图8为本发明设计的放电方案电容模组分组示意图；
[0068]图9为本发明设计的放电方案中单个大组内的"3+3"电容模组分组示意图；[0069]图10为本发明设计的六相六重升降压电路交错并联电路图；
[0070]图11为本发明具体实施例设计的消磁电源仿真脉冲电流输出波形图。
【具体实施方式】
[0071] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
[0072] 本发明方法所针对的高可靠性贮能消磁电源由整流器1、充电控制器2、储能超级 电容3、后级恒流变换器4、电流换向装置5、系统监控器6组成；整流器1、充电控制器2、储 能超级电容3、后级恒流变换器4、电流换向装置5顺序串接，系统监控器6通过通信线与充 电控制器2、储能超级电容3、后级恒流变换器4、电流换向装置5通信，结构图如图1所示。 消磁电源系统接受交流电站的交流电能量，经过整流、储能、变换、换向等环节后，为负载提 供正负交替、逐步衰减的间歇脉冲电流。
[0073] 图5所示为消磁电源典型输出电流波形。下面将对性能指标如下的消磁电源进行 储能电容和滤波电感、电容选定设计，以此来说明本发明的技术方法。
[0074] 性能指标：a?输出电流：50-4000A连续可调；
[0075]b?输出电压：0_650VDC连续可调；
[0076]c?负载电阻：< 0? 1625Q;
[0077]d.输出电流波形：脉冲式正负交替，按等差或指数规律递次衰减，超调量：< 2% (按单个脉冲）；
[0078]e?脉冲宽度：5-10s;
[0079]f?脉冲间隔：15-20s;
[0080] g?脉冲个数：50个 ；
[0081] (1)计算贮能消磁电源第1个脉冲到第50个脉冲的累积能量Ei;
[0082] 用到的参数：首脉冲理论放电电流If4000A，电流等差衰减公差AI=80A，负 载电阻&= 0. 1625Q，单个脉冲放电时间Tm= 10s，脉冲电流指数衰减系数kAI= 0. 1，脉 冲总数Npulse= 50。计算得到表1所示按等差进行计算得到的脉冲能量数据和表2所示表 2按衰减系数0. 1计算得出的理论脉冲数据。
[0083] 表1按等差进行计算得到的脉冲能量数据
[0084]
[0085] 表2按衰减系数0. 1计算得出的理论脉冲数据
[0086]
[0087] (2)确定储能电容模组的额定电压以及电容单体串联个数，具体方式为：
[0088]将首脉冲理论放电电压带入公式Ule_b_min=(U1/dbuc;k_max+Au)XkK计算得到后 级变换器采用降压方式时首个脉冲允许的电容放电最小电压Ulc;_b_min= 703. 6V，令单 个储能电容模组的额定电压Ue_N =Ule_b_minXKsafe_u_b = 864V，根据公式NseiMS =UC_N/ Uc-singleXKe_n_ifOTity计算单个储能电容模组的电容单体串联个数N' series= 318. 42, 正后的储能电容单体串联个数NseHes= 320,其中，dbuek_max= 0.97,Au= 0,kK= 1.05，Kc-nonuniformity 1. 22?Uc-singie2. 7V?Ksafe-u-b1. 228〇
[0089](3)初步计算与电站供电功率匹配的储能电容容量值c'sum。
[0090] 下面选用电流指数衰减、后级变换器升降压方式，电站供电功率P#id选为lOOOkW 为例进行下一步滤波电感、电容的设计。
[0091] 根据公式Wlc_Qffer=Qi-Wgf计算储能电容模组需要给首脉冲供给的能量Wlc_offer =17900kJ;再根据公
0步计算出与电站供电功率P#id 相匹配的储能电容容量值c' sum= 60. 18F;
[0092] 其中，首脉冲允许的储能电容模组放电最小电压Ule_min= 292. 5V，储能电容模组对 负载放电的效率n^lMd= 〇. 9,电站经前级充电控制器和后级恒流变换器给负载供能的效 率1^g-iMd= 〇? 81 ;
[0093] 4)对所述步骤（3)初步算得的储能电容容量值c'sum进行校验修正，并确定储能 电容模组总数凡__:
[0094] 根据公式Wg-Qffer_max=ffg-Qff_max+Wg"x计算出电站在脉冲放电间隔内和脉冲放电期 间内能够提供的最大能量之和20150kJ，此能量已经大于指数衰减下第3个脉 冲的理论能量Q3，只需要对前两个脉冲进行校验，即2;
[0095] 如图4所示，将一个容量为c' _、额定电压为仏，的储能电容作为消磁电源的储 能模组，并对这个模组进行逐步放电计算，并对容量c进行校验并按储能电容容量修 正系数Ke_sum_eMTeetim= 0. 1进行修正，得到修正后的c' sum= 72. 82F；
[0096]根据公式f。__= (NseirasXc^sum)/csingle^+算出储能电容模组总数初值f=8,将N'。__乘以储能电容模组数安全冗余系数Ksaf__N= 1. 4并取整，便得到与电站功 率PgHd匹配的考虑一定安全冗余的储能电容模组总数N。__= 12,继而得到考虑一定安全 冗余的储能电容容量CSUffl=Ne__Xcsingle +Nseries= 112. 5F〇
[0097]分别计算出电流等差衰减后级变换器降压方式、电流等差衰减后级变换器升降压 方式、电流指数衰减后级变换器降压方式、电流指数衰减后级变换器升降压方式四种情况 下的需求供电功率与电容组数关系（未考虑安全冗余），如表3、表4和图7所示。其中电 容单体容量为csingle= 3000F，并将首脉冲功率P:与电站供电功率PgHd之比定义为功率输 出比Kp，即Kp=
[0098] 表3降压方式计算得出的需求供电功率与电容组数
[0099]
[0100] 表4升降压方式计算得出的需求供电功率与电容组数
[0101]

[0103] (5)对储能电容模组总数Ne_sum= 12进行修正并分组：
[0104] 依据消磁电源采用后级变换器的路数N_V6rtOT= 12将N。__组储能电容模组一共 分成12组，并且不需要修正。图8和图9所示为储能电容模组分组方案示意图。每个储能 电容工作组组成一个独立的模块，每个独立的模块配置独立的充电机，独立的后级变换器， 后级变换器并联后向负载提供放电脉冲电流。12个储能电容工作组分成两个大组，每组有 6个储能电容工作组；每个大组又分成2个小组，每个小组有3个储能电容工作组。
[0105] (6)进行脉冲放电过程设计，具体方式为：
[0106] 当脉冲电流大于2000A时，12个储能电容工作组都参加放电；12个储能电容工作 组分成两个大组，每组有6个储能电容工作组，脉冲电流小于2000A，大于1000A时，两个大 组中只有其中一个大组参加放电；每个大组又分成2个小组，每个小组有3个储能电容工作 组，脉冲电流小于1000A，大于500A时，两个小组中只有一个小组参加放电；当放电电流小 于500A时，只有1组电容参加放电。
[0107] 根据上面的电容模组分组方案，在根据前面按衰减系数0. 1计算得出的理论脉冲 数据表格中的电流数据可得：①阶段一：从第1个脉冲到第7个脉冲，共计7个脉冲，由12 组储能电容工作组参与供能；②阶段二：从第8个脉冲到第14个脉冲，共计7个脉冲，由6 组储能电容工作组参与供能；③阶段三：从第15个脉冲到第20个脉冲，共计6个脉冲，由3 组储能电容工作组参与供能；④阶段四：从第21个脉冲到第50个脉冲，共计30个脉冲，由 单个储能电容工作组完全独立供能。且在前3个阶段，如果当前参与放电的电容模组能够 释放的能量大于当前脉冲到第18个脉冲能量累积之和，则由完全电容模组进行放电，之和 电站不再提供任何能量，直到完成所有脉冲放电。
[0108] (7)进行脉冲放电过程计算；
[0109] 表5、表6所示分别为由脉冲放电过程计算得出的单个电容模组脉冲放前电后电 压，表7为由脉冲放电过程计算得出的各脉冲放电时单路后级变换器流过的电流。
[0110] 表5单个电容模组脉冲放电前电压
[0111]
[0112] 表6单个电容模组脉冲放电后电压
[0113]
[0115] 表7各脉冲放电时单路后级变换器流过的电流
[0116]
[0117] (8)根据所述步骤（7)的脉冲放电过程计算结果求取滤波电感与滤波电容值：
[0118] 根据上述放电过程设计计算出每个脉冲放电的前后电压，并带入公式
:心.中，计算出后级变换器采用升降压方式时第i个脉冲放 电要求的最小电感，计算所得数据如表8所示，其中开关管的工作频率设置为f= 6kHz，开关周期八二1/f。
[0119] 表8电站功率1000kW电流指数衰减变换器升降压方式下计算得到的电感值
[0120]

[0122] 对计算得到的50个电感值求最大值，即可得到正常工作组组的对应的电感值L= 114. 45 (yH)，其中取&= 2。这个方案中，每组模块的后级变换器由6个Buck-boost电 路交错并联组成，构成6相6重斩波电路，5路正常工作，1路作为冗余备用，每个开关管电 流100A，这个级别电流的开关管工作频率可以较高，6相6重斩波电路进一步降低对滤波 电感的要求。故应对上述求得的电感值进行修正：L' =L/25X2 = 9. 16(yH)。根据公式
^求取后级变换器采用升降压方式时的稳压电容，求得的电 容值如表9所示。
[0123] 表9电站功率1000kW电流指数衰减后级变换器采用升降压方式时稳压电容值
[0124]
[0125] 可得到电站功率1000kW、电流指数衰减、后级变换器采用升降压方式时，正常工作 组对应的滤波电容值C' = 3150172 + 25X1. 2 = 151208 (yF)，其中升降压式后级变换器 采用交错并联方式时电容的冗余系数Kparallel_e= 1. 2。
[0126] 图11所示为本发明具体实施例设计的消磁电源阶段四前两个脉冲电流输出仿真 波形图，已对脉冲电流进行了换向，可以看出脉冲的上升沿和下降沿均符合小于Is的要 求。
[0127] 方案的优点是冗余特性好，在进行超级电容组数确定时考虑了至少40%安全冗 余，在进行超级电容模组放电方案设计时，每个放电阶段都包含冗余机制，正常放电组之间 的互相备用冗余，后级变换器内部同样也加入了冗余机制，即5+1路并联冗余机制，进一步 将消磁电源的可靠性提高，相当于每个变换器电路有冗余，总输出电路又有冗余，可靠性很 高。每个模块的设计电流为500A，实际工作最大电流为333A，模块的开关管选择范围很大， 工作频率可以比较高，这样可以降低滤波电感的数值，另外超级电容只存串联电压均衡问 题，不存在并联电流均衡问题，可以降低超级电容均衡方面的硬件成本。
【主权项】
1. 一种IC能消磁电源的储能电容和滤波电感、电容选定方法，其特征在于，该方法包括 如下步骤： (1)计算贮能消磁电源第1个脉冲到第i个脉冲的累积能量，具体方式为： 根据公式Zi = 计算指数衰减方式下第i个脉冲的理论放电电流I1?，或根据 公式Ii. = Ir (|-1>沒计算等差衰减方式下第i个脉冲的理论放电电流I2.; 根据公式q = X 计算第i个脉冲的理论放电电压q，根据公式ζ = Ui XI1.计算第i 个脉冲的理论放电功率#，根据公式β = IJxra计算第j个脉冲的理论能量g，按照公式 i 4 = Σ岛计算从第1个脉冲到第i个脉冲的累积能量爲； 其中，i为脉冲序号，取值范围为脉冲总数，I1为首脉冲理论放电电流， 为脉冲电流指数衰减系数，Af为电流等差衰减公差,?为负载电阻，7^为单个脉冲放电 时间，即脉冲宽度，j同为脉冲序号，取值范围i~ i; (2 )确定储能电容模组的额定电压以及电容单体串联个数，具体方式为： 根据公式= 计算后级变换器采用降压方 式时第i个脉冲允许的储能电容模组放电最小电压，或根据公式 =iO- P 4#.麗+綱4计算后级变换器采用升降压方式时第i个脉 冲允许的储能电容模组放电最小电压; 按照以下方式确定单个储能电容模组的额定电压IZrfr:根据公式 = 4柄m 计算后级变换器采用降压方式时单个储能电容模组的额定电压 LZfsjp，或根据公式= 计算后级变换器采用升降压方式时单个储 能电容模组的额定电压CZfHil，或直接取额定电压= ; 根据公式#^ = 计算单个储能电容模组的电容单体串联个数 奴ke，如果没不是整数，则对其向正无穷大方向作取整修正，得到修正后的储能电容单 体串联个数; 其中，为降压方式下开关管的最大占空比，为升降压方式下开关管的 最大占空比，为变换器输入输出电压差补偿，为储能电容内阻和输电铜排压降系数， [ZkIatt为后级变换器采用降压方式时首个脉冲允许的储能电容模组放电最小电压，f 5#.s.l 为后级变换器采用降压方式时储能电容模组额定电压安全系数，&^#4>1|&为后级变换器采 用升降压方式时首个脉冲允许的储能电容模组放电最小电压，为后级变换器采用 升降压方式时储能电容模组额定电压安全系数，?/ ?>#为单个储能电容模组的额定电压，即 或^.鱗_|，为储能电容单体串联电压不均勾系数，1『《维为储能电 容单体耐压值； (3) 初步计算与电站供电功率匹配的储能电容容量值，具体方式为： 根据公式=S1 厂?^"?计算储能电容模组需要给首脉冲供给的能量I.·，再 根据公式1防步计算出与电站供电功率^相匹配的储能 电容容量值eMSS; 载放电的效率，Q为首脉冲理论能量，为电站在脉冲放电期间内给脉冲供给的最大 能量，由公式^.?=·ρ_ι X >%_确定，%w为电站经前级充电控制器和后级恒流变 换器给负载供能的效率； (4) 对所述步骤（3)初步算得的储能电容容量值^"进行校验修正并确定储能电容模 组总数fi>MS; (5) 对储能电容模组总数FftaeS行修正并分组，具体方式为： 依据消磁电源采用后级变换器的路数1__将ff.e组储能电容模组一共分成 fiWSWMia，每组包含组储能电容模组，Merfiri应该是大于1的正整 数，且各路后级变换器配置的储能电容模组数要一致，如果I jfiraw不满足上述两个要求，则 对储能电容单体容量€_|按照下式进行修正后，返回步骤（4) =?_ ，其中 为储能电容单体容量修正系数； 如果Μβ??满足上述两个要求，则由1胃1*|组储能电容模组电气并联成电容容量为 有单个储能电容工作组进行分组； (6) 进行脉冲放电过程设计，具体方式为： 当第i个脉冲的理论放电电流^大于li/2时，反_?个正常工作组全部参与放电； 当第i个脉冲的理论放电电流12<大于A/4而小于I1/^时，由包含夏?ΛΜΡ/2个储能电容 工作组的大组进行放电； 当第I个脉冲的理论放电电流I2?大于I1Zs而小于4/4时，由包含HawwtrA个储能电容 工作组的小组进行放电； 当第$个脉冲的理论放电电流I2，小于Ij/δ时，由单个储能电容工作组进行放电，此时， 如果给第I胃个脉冲供电的所有储能电容工作组能够释放的最大能量大于从第Ir个到最后一 个脉冲的脉冲能量之和，则电站就不再向储能电容和负载提供任何能量，其中? ; (7) 进行脉冲放电过程计算，具体方式为： 根据公￥汁算第i个脉冲放电之后单个储能电容工作组i 储存的能量β.#，根据公?-计算第i个脉冲放电之后单个储能电容工 作组的电压根据公式0.￥?=计算第i个脉冲放电之前单个储能电 容工作组储存的能量04#?，如果0.1#*大于单个储能电容工作组的最大存储能量β".Μ， 则根据 _ β?,··修正β部·; 根据公式D计算第i个脉冲放电之前单个储能电容工作组的电压 ，对于首脉冲放电之前的电压％##?按公式&_ = Iir计算，首个脉冲放电之前的 单个储能电容工作组储存的能量按公式gw#" = &._?取值，根据公式= 4/#计 算第i个脉冲放电时单路后级变换器流过的电流； 其中，04#?为第?个脉冲放电之前单个储能电容工作组储存的能量,Mi为第 j个脉冲放电时参与供能的储能电容工作组组数，Mi取值为 ，_?/4或L 为电站在脉冲放电间隔时间内给单个储能电容工作组提供 的能量，当正常组放电且β,_x ^时取〇，其它情况下 由公式?=& 算得，为第^个脉冲时M1.个储能电 容工作组能够释放的最大能量，由公式 算得，β.?ι??Μ为从第?个脉冲到最后一个脉冲所有脉冲能量之和，u 为 储能电容独立放电安全系数，为电站在脉冲放电时间内供给脉冲的能量，同 样的，在正常组放电且β^4| x^ x 时^?.#貪取0，其他情况下取 ,1鲁參X、，凡鑛瞻X%叫|.滅，么鍾麵由公式Sf,齡腿~·玉^蜂綱她xU fJf算 得，为最后一个脉冲允许的储能电容模组放电最小电压； (8) 根据所述步骤（7)的脉冲放电过程计算结果求取滤波电感与滤波电容值。2.根据权利要求1所述的贮能消磁电源的储能电容和滤波电感、电容选定方法，其特 征在于，所述步骤（4)的具体内容为： a)从首个脉冲开始，将电站在脉冲放电间隔内能够提供的最大能量和脉冲放电期间内 能够提供的最大能量之和%?与各个脉冲的理论能量β比较，直到 ?大于或等于第?个脉冲的理i仑能量G为止，继而得到对cIm校验的每个循环需要 进行校验的脉冲个数Afdtet = I -1 b)将一个容量为额定电压为?/^的储能电容作为消磁电源的储能模组，并对这个 模组进行逐步放电计算； C)对此储能模组每次放电后电压是否满足大于或等于步骤（2)中计算得到的脉冲允许 的储能电容模组放电最小电压进行校验，如果不满足，则按照 正后，返回步骤b)，直到本轮校验中前Faa个脉冲所允许的储能电容模组放电最小电 压均小于或等于储能模组的放电后电压为止，并进入步骤d); η根据公式A':備=乂4)/￡：_计算出储能电容模组总数初值祀删，将祀遞 乘以并取整，便得到与电站功率匹配的考虑一定安全冗余的储能电容模组总数 ，继而得到考虑一定安全冗余的储能电容容量; 其中，为电站在脉冲放电间隔内供给储能电容模组的最大能量，由公式 f确定，为脉冲放电间隔时间为电站经前级充电控制器向储 能电容模组充电的效率，fMUKWMriii为需要的储能电容容量修正系数, cH1I为初步选定的 储能电容单体容量，ikfir为储能电容模组数安全冗余系数，其值大于1。3. 根据权利要求1所述的贮能消磁电源的储能电容和滤波电感、电容选定方法，其 特征在于，所述步骤（5)中按照如下方法对得到的所有单个储能电容工作组进行分组：将 个储能电容工作组全部视为正常工作组，iV_&r个正常工作组平均分成两个大 组，每个大组有麗/2个储能电容工作组，再将一个大组均分成两个小组，每个小组有 个储能电容工作组，再将每个小组分成夏个最小组，最小组即为单个储 能电容工作组。4. 根据权利要求1、2或3所述的贮能消磁电源的储能电容和滤波电感、电容选定方法， 其特征在于，所述步骤步骤（8)中，后级变换器不采用交错并联电路，按照如下方式求取滤 波电感与滤波电容值： 根据公另计算出后级变换器采用降压方 式下第i个脉冲放电时满足电感电流连续的最小滤波电感H IkI，或根据公式汁算出后级变换器采用升降压方式下第i个脉冲放电时 满足电感电流连续的最小滤波电感; 对数组%.油4油·__ &_.油：1取最大值得到正常工作组对应的电感值￡；，将 降压方式时的最小电感Ikm = IiR入公式c泛得后级变换 器采用降压方式时满足各脉冲电压波动为厶[^要求的最小滤波电容值或根据1求得后级变换器采用升降压方式时的最小滤波电容值 对数组Ρμλ G.l## _* · 取最大值得到正常工作组对应的滤波电容值Gf; 其中，M.ii.ffijx为第i个脉冲放电时后级变换器的最大输入电压由公式 y!-kv,iw = A離* /?求得，Gkam为第^个脉冲放电时后级变换器的最小输入电压， IiMk由公式= 求得，$后级变换器的开关周期，为电感安全冗余 系数，为第^个脉冲理论放电电压允许的电压波动值，由公式= IurXR 算得，f肅 为脉冲放电允许是电压波动系数，数组摘J 1 H 满足所 有工作组电感电流连续的最小滤波电感数组，即" * ?施捕] 或数组 K,!* C3··· ?€*，_,!*]满足所有 工作组电压波动要求的最小滤波电容数组，即P1.她>4 1" 或 [Ci.!.w 胁|V * * .?#?]〇5.根据权利要求1、2或3所述的贮能消磁电源的储能电容和滤波电感、电容选定方 法，其特征在于，所述步骤步骤（8 )中，后级变换器采用路交错并联的buck电路或 路交错并联的buck-boost电路时，按照如下方式求取滤波电感与滤波电容值： 首先按照与权利要求4中所述方法相同的方式初步求取滤波电感值和滤波电容； 然后按照如下方式修正滤波电感值和滤波电容： 根据下式对上述方式中求得的滤波电感值进行修正： Lt = LiN2imfmmix^wmi ； 对于后级变换器采用降压式时滤波电容需按下面方式修正：将修正后的滤波电感值 Ik3n = P带入公式?重新求得后级变换器采用降压方式时的最 小滤波电容值，并对数组icW-CVi-u· 取最大值得到正常工作组对应的滤波 电容值； 对于后级变换器采用升降压式的滤波电容需按下面方式修正： ^ mwWs&lK ^ c ； 其中，为变换器采用交错并联方式时电感的安全系数，为升降压式后 级变换器采用交错并联方式时电容的冗余系数。
【专利摘要】本发明公开了一种贮能消磁电源的储能电容和滤波电感、电容选定方法，步骤如下：(1)、进行脉冲理论能量计算；(2)、确定储能电容模组的额定电压以及电容单体串联个数；(3)、计算与电站供电功率匹配的满足所有脉冲要求储能电容容量；(4)、对储能电容模组数与后级变换器进行分组，并依据分组结果制定脉冲放电方案；(5)、依据放电方案进行逐步计算，得到合适的滤波电感、电容值。本发明采用多重冗余机制，保证总输出电路和变换器内部都安全冗余。
【IPC分类】H02J7/34, H02J7/02
【公开号】CN104882949
【申请号】CN201510244584
【发明人】王念春, 吴晓玉, 滕春阳
【申请人】东南大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月13日